Återkopplingssystemet har flera fördelar jämfört med konventionella system. Det hjälper till att förbättra kretsens uteffekt och ökar kretsens linjära respons. Det minskar också risken för signalförvrängningar som uppstår främst på grund av brussignaler.
Återkopplingssystem används mest i förstärkarkretsar, utgångsbaserade styrsystem och oscillatorkretsar. Återkopplingssystem har två typer: Positiv feedback och Negativ respons. Den här artikeln kommer att fokusera mycket på den senare typen av feedback.
Snabb översikt:
- Vad är negativt återkopplingssystem inom elektronik
- Negativ återkopplingskrets
- Överföringsfunktion för negativ feedback
- Negativ feedback i operationsförstärkare
- Exempel 1
- Exempel 2
- Exempel 3
- Skillnaden mellan positiva och negativa återkopplingssystem
- Tillämpningar och egenskaper för system för negativ feedback
- Effekt av negativ feedback på bandbredd
- Slutsats
Vad är negativt återkopplingssystem inom elektronik
Negativ återkoppling i en elektrisk krets är en kontrollmekanism som stabiliserar och reglerar den elektriska kretsen. Kretsar med integrerade negativa återkopplingssystem tar en utsignal och ger den till ingången som en fasopposition (inverterad) signal . Detta återkopplingssystem minskar eventuella avvikelser eller fel i utsignalerna.
Negativ feedback kallas också degenerativ feedback . Vid negativ återkoppling subtraheras utsignalen som kommer som återkoppling från ingångsreferenssignalen. Utgången resulterar i ett fel som kallas återkopplingsvinst . Denna felsignal som genereras efter subtraktion kommer att modifiera systemets svar i enlighet därmed. Om systemets förstärkning är positiv måste återkopplingssignalen som kommer från utgången subtraheras från ingångsreferenssignalen för att bibehålla återkopplingen som negativ.
När negativ feedback är subtraherad från referensingången gör det systemet mer stabilt. Låt oss säga att det finns ett system som visar ovanligt beteende - för att motverka denna förändring kommer systemet att generera en utsignal. Denna ut- eller återkopplingssignal motverkar insignalen – modifierar ingången i enlighet med detta för att få hela systemet att fungera effektivt.
Negativ återkopplingskrets
Den negativa återkopplingskretsen illustreras i bilden nedan. Här kan du se att en utsignal tas tillbaka till ingångssidan som återkoppling. På ingångssidan genereras en skillnad mellan referenssignalen och återkopplingssignalskillnaden, som sedan driver systemet vidare.
1. Komponenter : Kretsen består av två huvudkomponenter:
- En förstärkare med förstärkning G.
- En återkopplingsslinga med återkopplingsfaktor β.
Ingångssignalen är V i och förstärkarens utgång är V ut .
2. Summing Junction : Vid förstärkarens ingång finns en summeringspunkt (ofta representerad av en cirkel med ett minustecken inuti). Denna korsning kommer att subtrahera återkopplingssignalen från referensingången. Den subtraherade delen är produkten av återkopplingsfaktorn β och utsignalen Vout—så felsignalen är V i – bV ut .
3. Återkopplingsslinga : Denna felsignal (V i – bV ut ) är det som driver systemet. Det representerar skillnaden mellan den önskade ingången V i och den faktiska utgången V ut skalas med återkopplingsfaktorn β.
4. Negativ feedback : Nyckelbegreppet här är negativ feedback. När utgången V ut förändringar på grund av eventuella störningar eller förändringar i ingången V i felsignalen (Vin – βV ut ) är skapad. Den beräknade felsignalen kommer att förstärkas av förstärkaren med förstärkning G och matas tillbaka till summeringsövergången. Viktigt är att denna feedback är negativ eftersom den subtraheras från inmatningen.
- Om V ut ökar (d.v.s. systemutgången blir högre än önskat) återkopplingen minskar felet som ger V ut tillbaka mot önskat värde.
- Om V ut minskar (d.v.s. systemutgången blir lägre än önskat) återkopplingen ökar feldrivningen V ut backa upp mot önskat värde.
5. Allmän återkopplingsekvation : Den allmänna återkopplingsekvationen för detta system uttrycks vanligtvis som
Denna ekvation relaterar utsignalen V ut till ingången Vin och återkopplingsfaktorn β genom förstärkarens förstärkning G. Den visar hur systemet använder negativ återkoppling för att reglera och styra utsignalen för att matcha den önskade ingången.
Överföringsfunktion för negativ feedback
Överföringsfunktionen definierar en ekvation som representerar förhållandet mellan både input och output. Den berättar för oss hur förändringar i ingången påverkar utmatningen. I negativ återkoppling har vi en mellansignal representerad av Z. Denna mellansignal representerar skillnaden mellan utgång och ingång.
För överföringsfunktion ekvation för negativ återkoppling, Z används för att beräkna felsignalen eller korrigeringen som behövs för att föra systemet närmare det önskade värdet på utsignalen.
Följande blockdiagram visar det negativa återkopplingssystemet. Med hjälp av detta diagram kan vi beräkna överföringsfunktionen för ett negativt återkopplingssystem:
Utsignalen från det negativa återkopplingssystemet är lika med Y(en):
Negativ feedback i operationsförstärkare
I en negativ återkopplingskonfiguration ges en del av op-förstärkarens utgång (V) till ingångens inverterande (-) terminal. Denna utsignal kommer att subtraheras från ingångsreferensen. Det hjälper till att kontrollera och stabilisera förstärkarens förstärkning.
Genom att använda negativ feedback i en op-amp-krets kan du ställa in önskad förstärkningsnivå samtidigt som systemets stabilitet bibehålls. Negativ feedback minskar olinjäriteter i op-förstärkarens egenskaper, vilket gör att den fungerar närmare idealiskt beteende.
En negativ återkoppling operationsförstärkare (op-amp) krets är designad genom att använda en op-amp som central komponent. En op-amp har två ingångar: en är inverterande (-) och den andra är icke-inverterande (+). Den har en utgång. För det negativa återkopplingssystemet kommer vi att använda den inverterande sidan av op-amps.
Denna krets inkluderar vanligtvis:
- Ingångsmotstånd (Rin) som ansluter den enskilda källan till op-förstärkarens inverterande (-) ingång.
- Ett återkopplingsmotstånd (Rf) som ansluter op-förstärkarens utgång till den inverterande (-) ingången.
- En anslutning till belastningen vid op-ampens utgång.
Du kan hitta förstärkning genom att använda Rf till Rin-förhållandet. Denna negativa feedback stabiliserar och kontrollerar op-förstärkarens beteende. Det fungerar genom att minimera skillnaden i spänningar mellan de två inverterande och icke-inverterande ingångarna. Det skapar en virtuell kortslutning mellan dem. Som ett resultat justerar op-amp sin utspänning för att bibehålla denna balans – vilket gör den till en effektiv förstärkare med kontrollerad förstärkning.
Exempel 1: Beräknar sluten slinga förstärkning
Ett system har en förstärkning på 60 dB utan återkoppling. Den negativa återkopplingsfraktionen är 1/20, hitta sluten loopförstärkning (i dB) med tillägg av negativ återkoppling.
Lösning:
Förstärkningen med sluten slinga med negativ återkoppling ges av formeln:
I det här fallet är förstärkningen med öppen slinga 60 dB, och återkopplingsdelen är 1/20.
Så, med en återkopplingsfraktion på 1/20, kommer systemets slutna kretsförstärkning att vara 86,02 dB.
Exempel 2: Beräknar spänningsförstärkning
Om en förstärkare initialt har en spänningsförstärkning på 3000 (utan återkoppling) och sedan omfattar en negativ spänningsåterkoppling med en återkopplingsfraktion på mv = 0,01. Vad blir den nya spänningsförstärkningen för förstärkaren?
Lösning :
Du kan använda formeln för spänningsförstärkning för förstärkaren med negativ spänningsåterkoppling - för att beräkna förstärkarens spänningsförstärkning:
I formeln ovan:
A f = Spänningsförstärkning med återkoppling
A = Spänningsförstärkning utan återkoppling
mv = Återkopplingsfraktion
Här har vi:
Spänningsförstärkning utan återkoppling (A) = 3000
Feedbackfraktion (mv) = 0,01
Lägg nu dessa värden i formeln:
Så spänningsförstärkningen för förstärkaren med negativ spänningsåterkoppling är ungefär 96,77.
Exempel 3: Beräkna återkopplingsmotstånd
Bestäm lämpliga värden för återkopplingsresistanser, R 1 och R 2 . Du måste stabilisera en icke-inverterande förstärkarkrets med hjälp av en operationsförstärkare med en öppen spänningsförstärkning (AVOL) på 220 000. Din målinriktade förstärkning med sluten slinga är 40.
Lösning :
En allmän återkopplingsekvation med sluten slinga är:
För att få återkopplingsfraktion β, arrangera om ekvationen ovan:
I det här fallet är förstärkningen för öppen slinga för hög. Så återkopplingsfraktionen β kommer att vara ungefär lika med den reciproka förstärkningen 1/G med sluten slinga. Eftersom värdet på 1/A är för litet, ungefär lika med (0,025).
Motstånden R1 och R2 i ovanstående konfiguration bildar seriespänningspotentialdelarkretsen. Du kan hitta spänningsförstärkningen med sluten slinga enligt följande:
Låt oss anta värdet för R2 som 1000 Ω (1 kΩ). Sedan värdet för R 1 kan skrivas som
Så för den icke-inverterande förstärkarkretsen med en förstärkning på 40 måste du välja R 1 på 39 kΩ och R 2 på 1 kΩ.
Skillnaden mellan positiva och negativa återkopplingssystem
Du kan hitta skillnaden mellan de positiva och negativa återkopplingssystemen i nedanstående tabell:
| Skillnader i feedbacktyp | Positiv feedback | Negativ feedback |
|---|---|---|
| Definition | I denna återkoppling läggs referensåterkoppling och ingångssignaler till. | I denna typ subtraheras utgångsåterkopplingen från referensingången. |
| Nomenklatur | Positiv feedback eller regenerativ feedback. | Negativ feedback eller degenerativ feedback. |
| Syfte | Förstärker eller ökar en signal. | Stabiliserar eller reglerar en signal. |
| Effekt på systemet | Kan leda till oförutsägbart beteende och svängningar. | Främjar förutsägbarhet och steady-state drift. |
| Få riktning | Ökar systemvinsten. | Minskar systemets vinst. |
| Användande | Ljudförstärkare och avslappningsoscillatorer. | Operationsförstärkare (Op-Amps), återkopplingsstyrsystem. |
| Stabilitet | Leder ofta till instabilitet. | Förbättrar systemets stabilitet. |
| Till exempel | Schmitt triggers och flip-flops. | Spänningsförstärkare och temperaturregulatorer. |
Tillämpningar och egenskaper för system för negativ feedback
Negativ återkopplingssystem har många tillämpningar inom allmän elektronik. Dessa system förbättrade systemets instabilitet, systemets linjäritet, frekvenssvar och stegsvar. På grund av dessa fördelar med negativa återkopplingssystem har många förstärkarkretsar över elektronik negativa återkopplingssystem.
Några detaljerade beskrivningar av system för negativ feedback ges nedan:
Stabilitet : Ett negativt återkopplingssystem minskar avvikelserna från den önskade punkten, vilket resulterar i ett stabilare system. Till exempel ser en termostat till att temperaturen håller sig nära det valda värdet.
Noggrannhet: System med negativ feedback förbättrar systemets noggrannhet genom att minimera fel. I en förstärkarkrets minskar den negativa återkopplingen distorsionen och producerar en mer stabil signal vid utgången.
Bandbreddskontroll : Du kan också styra förstärkarens bandbredd med hjälp av ett negativt återkopplingssystem. Detta gör dem lämpliga för flera applikationer. Dessa applikationer inkluderar ljudförstärkning till radiofrekvensförstärkning.
Brusreducering : Negativ återkoppling kan minska oönskat brus och störningar. Brusreducering har flera tillämpningar inom området för ljudsystem och kommunikationsenheter.
Dynamiskt svar : Negativa återkopplingssystem har dynamiska svarsförmåga. Dessa system kan anpassas efter givna förutsättningar. Ett exempel på dynamisk respons inkluderar bilens farthållare.
Effekt av negativ feedback på bandbredd
Bandbredd förklarar driftsfrekvensområdet för en förstärkare med konstant förstärkning. Ett system med högre bandbredd gör att förstärkaren kan hantera fler frekvenser. Negativ återkoppling minskar förstärkarens förstärkning genom att ge utsignalen på ingångssidan. Detta förbättrar systemets stabilitet och linjäritet, men som ett resultat minskar det också systemvinsten.
De effekt av negativ feedback på bandbredd beror på typen och mängden återkoppling som tillämpas. I allmänhet ökar negativ återkoppling bandbredden genom att minska systemförstärkningen. Förstärkningsbandbreddsprodukten, som är måttet på en förstärkares prestanda, förblir konstant oavsett återkoppling.
Till exempel , betrakta en förstärkarkrets utan återkoppling med en förstärkning på 100 och 10 kHz bandbredd. Använder negativ feedback för att minska förstärkningen till 10. Detta kommer att öka bandbredden till 100 kHz. Förstärkningsbandbreddsprodukten är fortfarande 100 × 10 kHz = 1 MHz i båda fallen.
Den negativa återkopplingen påverkar dock även förstärkarens gränsfrekvenser. Dessa är de frekvenser där systemets vinster faller från det maximala värdet. Negativ återkoppling sänker gränsfrekvensen och höjer den övre gränsfrekvensen. Detta kommer att resultera i att förstärkarens frekvenssvarskurva vidgas. Nettoeffekten av negativ feedback på bandbredden är att vinst växlas mot bandbredd.
Detta innebär att användning av negativ feedback kommer att öka frekvensområdet som en förstärkare kan hantera. Men allt detta kommer till priset av att minska dess förstärkningsfaktor.
Slutsats
Ett negativt återkopplingssystem kan styra eller justera utgången genom att betjäna en del av utgången på ingångssidan. Denna feedback genererar en felsignal, vilket ger dig ett mer stabilt system. Denna felsignal är dynamisk och driver hela systemet. Ett negativt återkopplingssystem kan förbättra systemets noggrannhet och även styra bandbredden. Detta återkopplingssystem används i förstärkarkretsar som brusreducering eller bilfarthållare. Läs mer om den detaljerade beskrivningen av negativ feedback i den här artikeln.